1-现代集成制造系统导论08

先进制造系统AdvancedManufacturingSystem一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统二、CIMS的技术体系概述三、CIMS技术的发展趋势及前沿问题现代集成制造系统一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.1概述1.2计算机集成制造系统内涵的变化1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS1.3.1系统的复杂性1.3.2复杂问题求解的基本框架1.4现代集成制造系统实现技术内涵的发展1.4.1信息集成1.4.2过程集成（并行工程）1.4.3企业集成（敏捷制造）1.5现代集成制造系统的组成1.6CIMS与企业信息化一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.1概述从1986年立项，1987年开始实施至今，已经在我国的机械、电子、航空、航天、轻工、纺织、石油、化工和冶金等主要制造行业中的二百多家企业中应用。1999年华中理工大学获得SME的“大学领先奖”;1995年北京第一机床厂获SME的CIMS“工业领先奖”。1994年清华大学获得美国SME（制造工程师学会)CIMS“大学领先奖”（一般每年在世界范围内只评一所大学或一家企业）。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.2计算机集成制造系统内涵的变化CIM最早是英文ComputerIntegratedManufacturing的缩写，直译为计算机集成制造，由美国人约瑟夫·哈灵顿(J.Harrington)于1973年提出来的[7]。哈灵顿认为企业生产的组织和管理应该强调两个观点，即：第一，企业的各种生产经营活动是不可分割的，需要统一考虑。第二，整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。实际上,哈灵顿强调的一是整体观点，即系统观点，二是信息观点。二者都是信息时代组织、管理生产最基本的，也是最重要的观点。早期CIMS组成框图2019/7/316一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.2计算机集成制造系统内涵的变化我国863计划在1998年提出的新定义为[9][10]：“将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段。通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组织、管理）、经营和技术三要素的集成。以加强企业新产品开发的T（时间）、Q（质量）、C（成本）、S（服务）和E（环境），从而提高企业的市场应变能力和竞争能力。”实质上已将计算机集成制造发展到现代集成制造。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS现代集成制造系统是信息时代的一种先进生产系统，这是一种普遍存在的系统：凡是人造物，都离不开设计、制造及相应的管理，这是一种对国家经济、安全至关重要的系统，这是一种复杂的人机大系统，提出了大量的尚待解决的新问题，包括许多理论问题。1.3.1系统的复杂性1．功能的复杂性系统包含了产品从规划设计到最终交付用户使用的一切活动。如产品设计开发过程、加工制造过程和经营管理过程（包括销售及服务）等。不仅有物流，还有大量的人的活动。2．对象的复杂性相当一部分过程和活动很难完全用一般的动力学系统模型、离散事件系统模型及混杂系统模型来描述。3．随机性影响系统性能的随机因素大量、经常存在，如：市场、原材料、零部件的供应、合同、价格、设备的损坏，人员的流动等等。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS4．目标/约束的多样性企业市场竞争力的提高，表现在多个方面，如T（Time上市时间）、Q（Quality质量）、C（Cost成本）、S（Service服务）、K（Knowledge产品创新）、E（Environment环境等可持续发展）等等。解决这样的复杂系统的理论进展还大大落后于实际应用的需求。图2.1制造企业的总体模型一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS1.3.2复杂问题求解的基本框架基本框架如下：管理（包括生产组织模式）理念与模式；方法论；实现技术；数学等理论工具；一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS1.3.2复杂问题求解的基本框架1．管理（包括生产组织模式）理念与模式大量的先进的管理理念，如计算机集成制造；“推式”计划的生产组织MRP-II；精良生产与“拉式”生产组织；经营过程重组；协作生产的组织模式（不是“小而全”“大而全”）等等。这些管理理念对企业的影响是至关重要的。2．方法论体系结构的概念（系统结构）；开放系统的概念以及标准化；企业建模的方法论，如功能模型、信息模型、决策模型、组织模型、资源模型和动态模型等等。方法论不在数学层次解决问题，但重要的在于将问题纳入一个正确的方向。多数情况下，方法论主要还在定性阶段，但对某些问题，如大型软件开发采用功能模型便十分有效，对数据库系统的设计与实现，信息模型是主要工具。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS1.3.2复杂问题求解的基本框架3．实现技术如何建立一个现代集成制造系统？“现代”包含了当今信息技术的最新成果：数字化、网络化、虚拟化、智能化、绿色化与集成化。信息集成：异构环境下的信息集成，包括了协议的共存与转换；异种数据库的数据共享；应用软件的数据交换等。过程重组和优化（并行工程）：过程建模及优化（串行过程→并行过程），上游过程考虑下游过程的设计工具DFX、虚拟制造装配、性能评估技术和计算机协同工作环境等。资源优化（敏捷制造是资源优化更快的响应市场）：网络化设计制造的支持工具、使能技术、网络安全、供需链管理，从物流（logistics）到电子物流（e-logistics）、电子商务以及协同产品商务CPC（CollaborativeProductCommerce）等等。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS1.3.2复杂问题求解的基本框架4．数学等理论工具（1）生产线的调度优化理论（机器不可靠有限缓冲器情况下的串行、并行、混合等生产线的调度问题）如最小化完工时间，最小化拖期任务数，带特殊工艺约束以及提前/拖期等调度问题。多数情况下数学方法很难获得闭合解，数学计算和智能算法的结合往往是有效的。（2）推/拉结合的生产计划与调度MRP-Ⅱ是美国制造业管理技术的精华，它把对最终产品的需求通过BOM展开为对零部件和原材料的需求，用物料投入的方式推动系统运行，故称推式控制策略。JIT是日本丰田的管理思想，用产品或成品的取出来拉动系统运行，因此称拉式控制策略。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS1.3.2复杂问题求解的基本框架4．数学等理论工具（3）并行产品开发过程的调度优化问题产品的开发过程由一系列活动组成，传统的串行过程由于上游设计过程不考虑下游的制造工艺及装配，往往造成经常性的返工，使产品开发时间大大增加，成本提高。变串行的活动为尽可能多的并行活动，资源（设备、人员）需要优化配置，其中需要考虑信息的约束和活动中可能存在的反馈。因此问题成为：在考虑信息约束条件下，通过资源的优化配置，极小化产品设计开发时间。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS1.3.2复杂问题求解的基本框架4．数学等理论工具（4）供需链管理中的优化问题供需链是描述商品需、产、供过程中各实体的活动及其相互关系的动态变化的网络。企业必然会从“小而全”“大而全”的生产结构调整为协作化产品制造的生产结构。这便形成了供需链。由于多种原因，企业在物料获取、加工和产品（零部件）配送过程中存在提前期的不确定性，因此安全库存和安全提前期可以缓解提前期变动的影响。围绕供需链的越来越广泛的应用，相关的优化问题也很多。例如考虑运输时间服从一定的概率分布的前提下，如何在满足一定顾客服务水平的同时，实现库存费用极小化等。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.3从系统理论看现代集成制造系统CIMS1.3.2复杂问题求解的基本框架4．数学等理论工具（5）智能方法，如人工神经网络、遗传算法、多智能体技术等这些智能方法在解决上述应用问题时是有效的。理论参数计算与智能方法相结合是解决不少复杂问题的一种行之有效的办法。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.4现代集成制造系统实现技术内涵的发展1.4.1信息集成1．企业建模、系统设计方法、软件工具和规范这是系统总体设计的基础。没有企业的模型就很难科学地分析和综合企业各部分的功能关系、信息关系以至动态关系。企业建模及设计方法解决了一个制造企业的物流、信息流、以至资金流、决策流的关系，这是企业信息集成的基础。2．异构环境下的信息集成所谓异构是指系统中包含了不同的操作系统、控制系统、数据库及应用软件。如果各个部分的信息不能自动地交换，则很难保证信息传送和交换的效率和质量。异构信息集成主要解决下面三个问题：（1）不同通信协议的共存及向ISO/OSI的过渡（2）不同数据库的相互访问（3）不同商用应用软件之间的接口一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.4现代集成制造系统实现技术内涵的发展1.4.2过程集成（并行工程）并行工程的关键技术：1）产品设计开发过程的重构和建模，即将原来的串行作业过程，尽可能地转变为并行作业。串行作业：结构分析与优化方案设计与论证原理实验与分析详细设计工艺审查确定工艺方案生产准备加工制造与测试产品验证较多一般频繁偶尔一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.4现代集成制造系统实现技术内涵的发展1.4.2过程集成（并行工程）并行作业：方案设计与论证详细设计确定工艺方案CAPP,CAFDMPS生产准备原理实验与分析DFXRPMCAE加工制造与检测实验验证预发布偶尔偶尔较少发布会一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.4现代集成制造系统实现技术内涵的发展1.4.2过程集成（并行工程）并行工程的关键技术：2）支持并行作业的多学科的协同工作小组，以及计算机网络（往往是广域网）支持下的协同工作环境（CSCW）和PDM，它可以提供异地设计人员在同一时间对设计的评价和修改，进而支持实现异地互操作。3）并行工程的工具，如DFA，DFM（DesignForAssembly,DesignForManufacturing）等并行工程是在信息集成的基础上，实现了过程的重构、集成和优化。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.4现代集成制造系统实现技术内涵的发展1.4.2过程集成（并行工程）并行工程的技术攻关是紧密结合航天工业复杂机械结构件的设计、开发进行的。通过2年多的攻关，取得了明显的效益。使产品开发时间缩短了1/3，设计过程中的反复减少了70%，废品率减少了50%。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.4现代集成制造系统实现技术内涵的发展1.4.3企业集成（敏捷制造）敏捷制造的关键技术有：1）支持敏捷制造的使能技术，支持协同设计的工具，电子商务平台。2）资源优化，包括供应链的建模和管理。3）网络平台，Internet/Intranet/Extranet。一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.5现代集成制造系统的组成虚拟制造绿色制造并行工程敏捷制造CIMS全球企业部门制造基础信息化集成优化：过程重组CE企业集成AM虚拟技术技术+管理+组织一、计算机集成制造系统和现代集成制造系统1.6CIMS与企业信息化企业信息化大致可分为下面四个阶段。第一阶段为单机的计算机应用：如采用CAD以提高工程设计及绘图的效率和质量，采作会计、工资、合同等单项管理等等。与传统的手工作业方式相比，可以提高工作效率。第二阶段为局域网支持下的计算机应用：如基于网络和数据库的产品设计部门的CAD、CAPP、CAE以及MRPⅡ等应用。其技术水平和收到的效益比前者提高了一步。第三阶段为网络数据库支持下的计算机应用综合系统：把企业的各个单元的计算机应用，如CAD、CAE、CAPP、CAM、MRPⅡ、车